NHD脫碳工藝的應(yīng)用與改造

張 華 葉墨香 鄭 偉

（兗礦魯南化肥廠，山東 滕州 277527）

NHD脫碳工藝的應(yīng)用與改造

張 華 葉墨香 鄭 偉

（兗礦魯南化肥廠，山東 滕州 277527）

介紹了甲醇和合成氨生產(chǎn)的聚乙二醇二甲醚（NHD）凈化裝置脫碳工藝流程，分析了2套裝置生產(chǎn)操作中存在的問題，介紹了技術(shù)改造的內(nèi)容，實施后取得了較好的效果。

聚乙二醇二甲醚；脫碳；氣提；聯(lián)產(chǎn)

某化肥廠主導(dǎo)產(chǎn)品為800 kt/a尿素和200 kt/a甲醇，甲醇生產(chǎn)氨凈化和甲醇凈化裝置均采用聚乙二醇二甲醚（NHD）脫硫、脫碳工藝。NHD溶劑性質(zhì)穩(wěn)定，蒸氣壓低、損耗少，對 CO2、H2S、COS 吸收能力強，凈化度高，適合配甲烷化流程，凈化氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)在0.1%以下，是一種高效節(jié)能的物理吸收方法。該廠共有3套NHD凈化裝置，本文介紹NHD法脫碳工藝的應(yīng)用與改造。

1 凈化II及改造

1.1 工藝流程

凈化裝置II于1993年建成運行至今，是我國第1套使用HND脫硫脫碳的裝置，設(shè)計合成氨系統(tǒng)產(chǎn)能80 kt/a。凈化裝置II將水煤氣經(jīng)過CO變換，H2S、COS、CO2的 NHD 法脫除制得 H2，配入純 N2，然后進行甲烷化精制，制得合格精制氣（φ（H2）/φ（N2）≈2.89）送合成氨工段。主要設(shè)備有脫碳塔、汽提塔、脫水塔、氨冷器、高壓閃蒸槽、低壓閃蒸槽，脫碳壓縮機、空氣風(fēng)機、脫碳貧液泵和富液泵等，工藝流程如圖1。

進脫碳塔的貧液為-5℃，在塔內(nèi)吸收CO2過程中，CO2的溶解熱和氣體放熱使溶液溫度升高，出塔底的富液溫度升高，達7.2℃；富液經(jīng)氨冷器冷卻溫度降至2.5～3℃、壓力降至0.78 MPa后進入高壓閃蒸槽，閃蒸槽內(nèi)壓力為0.736 MPa，部分溶解的CO2和大部分H2在此解吸出來，從高壓閃蒸槽底部出來的溶液減壓進入低壓閃蒸槽；低壓閃蒸槽內(nèi)壓力為0.077 MPa，此時有大部分溶解的CO2解吸出來。低壓閃蒸槽底部出來的溶液經(jīng)富液泵提壓進氣提塔上部，溶液經(jīng)過N2或空氣在氣提塔中解吸CO2后，成為貧液。溫度降至-7～-5℃進入貧液泵升壓至3.3 MPa，經(jīng)流量調(diào)節(jié)進入脫碳塔頂部去吸收氣體中的CO2。

圖1 脫碳工藝流程Fig 1 Process flow of decarburizqtion

1.2 操作原理

根據(jù)廣義酸堿理論，在NHD分子結(jié)構(gòu)中，醚基團內(nèi)的氧為硬堿性中心，而—CH3和—CH2—CH2—基本則為軟酸部分，因此，NHD溶劑對硬酸性氣體（如 H2S、CO2）和軟堿性氣體（如COS）均有較強的溶解吸收能力，從而達到脫除酸性氣體的目的。

氣提是一個物理過程，它采用一個氣體介質(zhì)破壞原氣液2相平衡而建立一種新的氣液平衡狀態(tài)，使溶液中的某一組分由于分壓降低而解吸出來，從而達到分離物質(zhì)的目的。在脫碳操作中，向氣提塔內(nèi)通入常壓氮氣，提高富液表面氮氣分壓即降低NHD富液中所含CO2氣的分壓，根據(jù)亨利定律，富液中的酸性CO2氣隨之析出，溶液變成貧液循環(huán)使用。

1.3 改造內(nèi)容及效果

1.3.1 氣提介質(zhì)由空氣改為常壓氮氣

空氣水含量較高，NHD溶液與氣提空氣在氣提塔內(nèi)逆流接觸時，NHD溶液吸水性較強，造成脫碳系統(tǒng)水含量持續(xù)升高，影響了脫碳貧液的吸收效果。采取措施是開脫水系統(tǒng)，用1.3 MPa蒸汽加熱，根據(jù)水和NHD溶液的沸點不同，將水分蒸發(fā)出來，其后果是持續(xù)加熱，NHD溶液中醚類組分的蒸出，加大了溶液的損耗。

開空氣風(fēng)機時，因空氣被壓縮，風(fēng)機出口空氣溫度較高，雖然經(jīng)過空氣冷卻器的降溫，較氣提氮氣相比，仍然高出6～10℃，使脫碳系統(tǒng)貧液溫度上升，影響了貧液吸收效果。采取措施是開啟合成氨冰機，增加氨冷器換熱效果，其后果是造成了冰機能耗加大。采用氮氣氣提后，取得較好效果。脫碳水含量得到了控制，不再需要開脫水系統(tǒng)，降低了NHD溶液的消耗及蒸汽的損耗；氣提氮氣溫度低，在脫碳系統(tǒng)形成了良性循環(huán)，降低了冰機能耗；因脫碳系統(tǒng)操作條件的改善，在生產(chǎn)負(fù)荷增加的情況下，脫碳塔循環(huán)量相應(yīng)降低，節(jié)約了脫碳泵電耗，增加了系統(tǒng)合成氨產(chǎn)能，液氨產(chǎn)能由80 kt/a增至100 kt/a；停用空氣風(fēng)機，空氣風(fēng)機的功率為125 kW，由此每年可節(jié)約電費55萬元。

1.3.2 富液泵及低壓閃蒸槽

富液從脫碳低壓閃蒸槽由富液泵抽至脫碳?xì)馓崴?，富液泵是離心泵，由于在開車初期，低閃槽內(nèi)沒有閃蒸氣，二氧化碳溶解在NHD溶液中，當(dāng)溶液進入富液泵吸入口時壓力突然降低，溶液中的二氧化碳?xì)饨馕龀鰜?，在富液泵中心產(chǎn)生真空區(qū)，使泵產(chǎn)生嚴(yán)重的氣蝕現(xiàn)象，富液泵帶氣時，富液泵輸送的是NHD泡沫，輸送流量僅為正常量的50%，低閃槽液位上漲，隨霧沫夾帶進入二氧化碳管道，造成跑液。

在富液泵出口閥前增配一回流管至低壓閃蒸槽。因富液泵出口脫碳汽提塔中上部，高度約45 m，出口阻力較高，在富液泵吸入口處因壓強的變化形成的氣泡不易排出而造成汽蝕，改造的目的是及時消除氣泡，使富液泵實現(xiàn)連續(xù)工作。

在低壓閃蒸槽出口CO2管道上新配一放空管至氣提塔中下部。在脫碳系統(tǒng)進行溶液聯(lián)動或接氣開車初期，CO2管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定，波動較大，同時因閃蒸不連續(xù)，造成低閃槽壓力波動，使富液泵入口壓強變化大，產(chǎn)生汽蝕。增加放空后，可以保證低壓閃蒸槽的壓力穩(wěn)定（改造前為17～77 kPa，改造后為39～43 kPa），閃蒸氣連續(xù)閃蒸，有效的解決了富液泵的流量低的問題。

在未接氣的情況下可以進行脫碳系統(tǒng)的溶液聯(lián)動，將高閃槽壓力由（0.7±0.05）降至（0.45±0.05）MPa，使NHD溶劑中吸收的氮氣在高閃槽中大部分閃蒸，進入低閃槽后形成較穩(wěn)定的操作環(huán)境，富液泵打量較好，解決了脫碳系統(tǒng)不能提前開溶液聯(lián)動的難題，接氣時間比原來減少了2 h左右。

1.3.3 醇氨聯(lián)產(chǎn)改造

合成氨凈化和甲醇凈化共用氣化水煤氣，為實現(xiàn)產(chǎn)能最大化，進行了醇氨聯(lián)產(chǎn)改造。

在凈化裝置II脫碳塔后氫氣管線配管至甲醇凈化去甲醇聯(lián)合機生產(chǎn)甲醇，這樣可以根據(jù)尿素和甲醇的市場效益進行合理分配氣量。

當(dāng)合成氨系統(tǒng)檢修時，凈化裝置可以停掉甲烷化系統(tǒng)，改為全部配氫生產(chǎn)甲醇，為方便調(diào)節(jié)甲醇?xì)涮急?，此時脫碳塔出口指標(biāo)CO2的體積分?jǐn)?shù)可以由0.3%提高到3%，停掉功率為710 kW的脫碳泵，開啟新增的功率為280 kW的小脫碳泵，減少了NHD溶液循環(huán)量，降低了電耗。

甲烷化反應(yīng)是強放熱反應(yīng)，若原料氣中CO和CO2含量增高，易造成甲烷化催化劑超溫事故，體積分?jǐn)?shù)0.1%的CO2轉(zhuǎn)換為甲烷，氣體溫度將升高6℃；同時使進入合成氨系統(tǒng)的惰性氣甲烷含量增加，影響合成氨產(chǎn)能。所以生產(chǎn)合成氨時，脫碳塔出口CO2的體積分?jǐn)?shù)控制在≤0.3%；而甲醇生產(chǎn)中，CO2是合成甲醇的原料氣，約占 3.2%，φ（H2）/φ（CO2）為2.05～2.15，若CO2指標(biāo)控制太低，反應(yīng)產(chǎn)生的水量減少會使反應(yīng)熱不能及時移除造成甲醇合成催化劑超溫事故，所以凈化II配氫生產(chǎn)甲醇時將脫碳塔出口CO2的體積分?jǐn)?shù)控制在≤3%。

2 凈化IV及改造

合成氨凈化IV裝置于2008年建成并投產(chǎn)運行至今。

2.1 流程對比

凈化IV脫碳工藝仍然采用NHD溶液吸收，流程與凈化II基本相似，只做了如下改進：1）采用常壓氮氣進行氣提，沒有脫水及空氣冷卻系統(tǒng)；2）富液流程改造，去掉了富液泵，將低壓閃蒸槽安裝在汽提塔頂部，富液經(jīng)進塔液體緩沖罐自流進入氣提塔內(nèi)。凈化II最初也想進行這種改造，但是經(jīng)過核算，以現(xiàn)有氣量來確定裝置大小，如果將低壓閃蒸槽安裝在氣提塔頂部，現(xiàn)有氣提塔不能承重。如果換塔，從經(jīng)濟效益分析不合適，故沒有進行改造。

2.2 改進的優(yōu)點

改進后的凈化IV溶液流程，徹底解決了因泵不打量造成的跑液問題，現(xiàn)場操作難度、工作強度都得到了極大的改善。凈化II富液泵電機功率為132 kW，按照330 d/a的開工率、電耗0.56元/（kWh）計算，就電耗一項，凈化IV每年節(jié)約電費58.5萬元。另外，因跑液造成的開停車損失及溶液損耗、多余設(shè)備的維修與保養(yǎng)費用，也是相當(dāng)大的一筆資金投入。

3 結(jié)語

經(jīng)過近20 a的運行，該廠已經(jīng)基本掌握了NHD法脫硫脫碳工藝全部技術(shù)要點，這對于各種規(guī)模工廠的新建、擴建和改造提供了可靠的技術(shù)保障，相比低溫甲醇洗工藝和變壓吸附工藝，該法具有一次性投資少、能耗低、凈化度高的優(yōu)點，是值得推廣的凈化工藝。

The Application and Modification of Decarburization by NHD

Zhang Hua,Ye Moxiang,Zheng Wei
（Yankuang Lunan Chemical Fertilizer Plant,TengZhou,Shandong 277527）

The treatise introduced the process flow of NHD decarburization,analyzed the problems existed in the operation.The technical improvement and the fruit achieved were also mentioned in the paper.

NHD;decarburization;gas stripping;co-production

TQ028.2+5

B DOI10.3969/j.issn.1006-6829.2010.06.014

2010-09-25